【文章內(nèi)容簡介】 口 , ? 一個(gè)觸摸屏接口。 ? JTAG 接口 ? 9V 直流電源 ? H/W 復(fù)位建 ? 運(yùn)行狀態(tài)指示 LED 燈 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的概述 嵌入式系統(tǒng)的定義如下 :是一種以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由嵌入式系統(tǒng)的定義可見，嵌入式系統(tǒng)具有以下幾大特點(diǎn) : (1) 技術(shù)密集 嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用 5 相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成 系統(tǒng)。 (2) 專用性強(qiáng) 嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，具有很強(qiáng)的專用性。嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化不斷進(jìn)行修改。同時(shí)針對不同的任務(wù)，往往需要對系統(tǒng)進(jìn)行較大的更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合。 (3) 系統(tǒng)精簡 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求可對軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。因此目前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)一般是先建立一個(gè)相對通用的軟硬件平臺(tái)，然后在其基礎(chǔ)上進(jìn)行裁剪和精 簡，開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)。一般而言，嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自底向上可分為 3 個(gè)部分，如圖 11 所示 圖 11 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 嵌入式硬件平臺(tái)是整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)。不同的應(yīng)用通常有不同的硬件平臺(tái)，但是基本的結(jié)構(gòu)是相同的，通常包括嵌入式處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出 (工/0)接口，如圖 12 所示 [1]。 圖 12 嵌入式硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu) 嵌入式應(yīng)用軟件 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式硬件平臺(tái) 嵌入式處理器 存儲(chǔ)器 輸入 輸出 6 嵌入式系統(tǒng)的選擇 現(xiàn)今，與嵌入式應(yīng) 用相結(jié)合的嵌入式操作系統(tǒng)有 VxWorks、 Linux、 WinCE、 ? COSII等，他們各有其特點(diǎn)，相比較而言，嵌入式 Linux 更具有優(yōu)勢。歸納起來，嵌入式 Linux至少具有以下優(yōu)勢 [3]： (1)開放的源碼，豐富的軟件資源 Linux 是自由的操作系統(tǒng)，它的開放源碼使用戶獲得了最大的自由度。 Linux 上的軟件資源十分豐富，每一種通用程序在 Linux 上都可以找到。 (2)功能強(qiáng)大的內(nèi)核，性能高效、穩(wěn)定，多任務(wù) Linux 的內(nèi)核非常穩(wěn)定，它的高 效和穩(wěn)定性已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器領(lǐng)域，得到了事實(shí)的驗(yàn)證。 Linux 內(nèi)核小巧靈活，易于裁減，這使得它很適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。 (3)支持多種體系結(jié)構(gòu)，如 X8 ARM、 MIPS、 ALPHA、 SPARC 等 目前， Linux 已經(jīng)被移植到數(shù)十種硬件平臺(tái)上，幾乎支持所有流行的 CPU。 (4)完善的網(wǎng)絡(luò)通訊、圖形、文件管理機(jī)制 Linux 自產(chǎn)生之日起就與網(wǎng)絡(luò)密不可分，網(wǎng)絡(luò)是 Linux 的強(qiáng)項(xiàng)。另外， Linux 還支持多種文件和圖形系統(tǒng)。 (5)支持大量的周邊硬件設(shè)備 Linux 上的驅(qū)動(dòng)已經(jīng) 非常豐富了，它們支持各種主流硬件設(shè)備和最新硬件技術(shù)。 (6)大小、功能都可定制 Linux 秉承 Unix 的優(yōu)秀設(shè)計(jì)思想，非常靈活，各部分的可定制性都很強(qiáng)。 (7)良好的開發(fā)環(huán)境，不斷發(fā)展的開發(fā)工具集 Linux 有著非常優(yōu)秀的完整開發(fā)工具鏈，有十幾種集成開發(fā)環(huán)境，其中很多是免費(fèi)的，大大降低了開發(fā)費(fèi)用。 (8)軟件開發(fā)者的廣泛支持 Linux 的自由精神吸引了成千上萬的程序員投入到 Linux 的開發(fā)和測試中來，這使得Linux 在短時(shí)間內(nèi)就成為一個(gè)功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)。 (9)價(jià)格低廉 有 效降低產(chǎn)品成本，對成本敏感的嵌入式系統(tǒng)來說至關(guān)重要， Linux 恰好具有這一特性。 正是這些優(yōu)勢，嵌入式 Linux 系統(tǒng)的研發(fā)熱潮正在蓬勃興起，并且占據(jù)了很大的市場份額，除了一些傳統(tǒng)的 Linux 公司 (如 RedHat、 Monta Vista 等）正在從事嵌入式 Linux的開發(fā)和應(yīng)用之外， IBM、 Intel、 Motorolar 等著名企業(yè)也開始進(jìn)行嵌入式 Linux 的研究[4]。 嵌入式圖形用戶界面 (Graphics User Interface)系統(tǒng)是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，隨著嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備可獲得性 的提高和價(jià)格的不斷降低及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，嵌入式 GUI 系統(tǒng)的重要性越來越突出 ,特別是對高性能嵌入式人機(jī)圖 7 形交互界面的要求也越來越迫切，比如消費(fèi)電子和工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) [5][6][7]。這些系統(tǒng)對GUI 的基本要求包括： ? 輕型、占用資源少 ? 高性能 ? 高可靠性 ? 可配置 此外，適合嵌入式 Linux 的 GUI 還要求是開放源碼的自由軟件 [8]。 時(shí)代的發(fā)展告訴我們，圖形用戶界面 GUI 的應(yīng)用加速了計(jì)算機(jī)的普及廣度 ,嵌入式技術(shù)的發(fā)展加速了計(jì)算機(jī)的普及深度 ,后 PC 時(shí)代呼喚著兩者日益緊密的結(jié)合 [9]。所以對二者的研究有 著深刻的意義。 本文的意義和主要工作 本文在研究嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一套滿足要求的低成本的嵌入式多媒體終端的解決方案。通過對系統(tǒng)的功能需求分析以及市場上主流處理器的功能和性能分析，選擇了華恒公司的 HHARM9EDUR3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和 Red Hat Linux 分別作為系統(tǒng)的硬件和軟件開發(fā)平臺(tái)。 本文的主要工作包括三方面的內(nèi)容，首先，基于 ARM 平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)的引導(dǎo) 加載程序、構(gòu)建嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)；第二，針對 ARM 處理器和 Linux 操作 系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行音視頻解碼器的設(shè)計(jì)和研 究 。第三，對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證；論文的主要結(jié)構(gòu)如下 : 第二章 系統(tǒng) 軟 硬件平臺(tái)的搭建。包括 ARM 處理器及硬件核心部件介紹、 bootloader實(shí)現(xiàn)、交叉開發(fā)環(huán)境建立、 Linux 移植 、 minigui 移植 等； 第三章 Mplayer 到開發(fā)板的移植。 Mplayer 為 Linux 下通用的媒體播放軟件，但非為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，然而其強(qiáng)大的功能卻是嵌入式系統(tǒng)所需要的。為此本章完成其到開發(fā)板的移植，來完善嵌入式系統(tǒng)對音視頻文件的支持； 第四章 嵌入式播放器 Mplayer 的設(shè)計(jì)，針對播放器 Mplayer 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理流 程到諸如分流器，音、視頻解碼，音、視頻同步等各個(gè)關(guān)鍵功能模塊作描述。 最后，對論文進(jìn)行總結(jié)與展望。 8 第二章 系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的搭建 硬件開發(fā)平臺(tái)的介紹 本設(shè)計(jì)使用的硬件開發(fā)平臺(tái)是華恒科技的 HHARM9EDUR3教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此平臺(tái)由核心板和外設(shè)板組成，下面分別對這兩部分進(jìn)行介紹 [10]。 核心板 核心板的功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示，板上集成 Samsung S3C2410 處理器， 16M 的FLASH 和 64M SDRAM，它能為我們的研發(fā)、應(yīng)用提供足夠的空間。 圖 21 核心板功能 模塊結(jié)構(gòu)圖 S3C2410 是一款 16/32bit RISC(精簡指令集 )高性價(jià)比，低功耗，體積小，高性能，高集成度的微處理器，采用 203MHZ 的 ARM920T 內(nèi)核。集成了 16KB 指令緩存和 16KB 數(shù)據(jù)緩存，利用 MMU實(shí)現(xiàn)對虛擬內(nèi)存的管理，支持 TFT LCD 屏，支持 NAND FLASH。正是由于S3C2410 的這些特點(diǎn)，才使核心板的模塊組成成為可能，也為 Linux 系統(tǒng)的移植提供必要的硬件資源。 外設(shè)板 外設(shè)板為核心板的應(yīng)用提供了其它的接口和設(shè)備，它提供以下外設(shè)接口： (1) 10M/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口一個(gè)； (2) 四線 RS232 串口 (COM1)一個(gè)； (3) 四線 RS232/RS485 串口各一個(gè) (COM COM3)； 9 (4) IDE/CF 卡接口； (5) SD/MMC 卡接口； (6) USB HOST 接口一個(gè)； (7) USB Device 接口一個(gè)； (8) TFT LCD 接口； (9) 觸摸屏接口； (10) 音頻輸入輸出接口，麥克風(fēng)接口； (11) A/D， D/A 接口； (12) PS/2 接口； 核心板和底板是通過一個(gè) 144 針的插槽相接，它們配合后即構(gòu)成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng) 。 設(shè)計(jì)所用硬件介紹 首先，核心板是必不可少的部分，它是一個(gè)最小系統(tǒng)。 其次，本設(shè)計(jì)是一個(gè)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的應(yīng)用，故需要一個(gè) LCD 顯示屏和觸摸屏，通過以上的 TFT LCD 接口和觸摸屏接口與外設(shè)板相接 . 最后，設(shè)計(jì)的調(diào)試需要通過在 PC Linux 上運(yùn)行 mini 與開發(fā)板通信，所以需要使用到一個(gè)串口，并且，內(nèi)核文件等鏡像的下載需要網(wǎng)絡(luò)接口，故開發(fā)板上的網(wǎng)絡(luò)接口就必不可少了。 以上的設(shè)備即構(gòu)成本設(shè)計(jì)中必需的硬件開發(fā)平臺(tái)，缺一不可。 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案 參考華恒 HHARM9EDUR3教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件電路設(shè)計(jì)，為了減小難度，增加通用性，我們可以選用跟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相似的設(shè)計(jì)，把整個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)成兩個(gè)主要部分：核心板和外設(shè)板，兩者通過插槽接口相接，功能的擴(kuò)展只需通過對外設(shè)板的修改來達(dá)到。 核心板設(shè)計(jì) 核心板的正面俯視圖如圖 22所示： 根據(jù)功能模塊分別介紹各個(gè)主要組成部分： (1) 存儲(chǔ)部分構(gòu)成 核心板內(nèi)存由圖 22中兩塊 HY57V561620CT 為 16M*16 位數(shù)據(jù)寬度的 SDRAM 構(gòu)成，兩片拼成 32 位模式，公用 nGCS6 片選空間，共 64M RAM。通過參考 s3c2410 技術(shù)手冊的 內(nèi)存映像地址，如圖 23,可以知道內(nèi)存的起始地址為 0x30000000[12]。 核心板還集成有一片 8M*16 位數(shù)據(jù)寬度的 INTEL 28F128J3C FLASH，通過 nGCS0 作為片選，從圖 23可知，起始地址為 0x00000000。 根據(jù)地址的分配與片選設(shè)置，我們設(shè)計(jì)的核心板存儲(chǔ)部分電路圖如圖 24 和圖 25 所示，從圖 24中可以看到， FLASH 使用的地址線為 MA1 到 MA24，而使最高位 A0 接地，這 10 圖 22 核心板正面俯視圖 圖 23 s3c2410 內(nèi)存映射 樣使得 FLASH 的 0 地址為 0x01000000,以后內(nèi)核等的燒寫地址也是以此為準(zhǔn)。數(shù)據(jù)地址線為 MD0到 MD15，正好為 16 位的數(shù)據(jù)寬度。 從圖 25 可見，兩片內(nèi)存使用的地址線為 MA2 到 MA25，而數(shù)據(jù)線分別為 MD0MD15 和MD16MD31，由于共用地址線和片選 nGCS6，而分別使用 32 位數(shù)據(jù)線，所以這兩片 16位寬度的內(nèi)存共同組成了 32位寬度的內(nèi)存存儲(chǔ)空間。 11 圖 24 FLASH 電路接線 圖 25 內(nèi)存電路接線 12 (2) 供電部分構(gòu)成 核心板的供電部分由 LV14A 六角施密特觸發(fā)倒相器 (HEX SCHMITTTRIGGER INVERTERS)和 AMS 1117 800mA 低門限穩(wěn)壓器 (800mA Low Dropout Voltage Regulator)構(gòu)成，具體電路如圖 26和圖 27所示： 圖 26 LV14A 電路 圖 27 AMS 1117 電路 從圖中還可以看到，核心板還有相應(yīng)的電源指示燈 D5 LED，當(dāng)核心板接收到 reset信號(hào)時(shí)，指示燈滅，而正常工作狀態(tài)，指示燈亮。 (3) 振蕩電路部分構(gòu)成 核心板的振蕩電路由兩個(gè)晶振電路組成，如圖 28。 12MHz 的晶振與 s3c2410 的 XTIpll、 XTOpll 兩個(gè)管 腳相接，為內(nèi)部振蕩電路提供振蕩源 (for internal OSC circuit)。 晶振與 XTIrtc、 XTOrtc 兩個(gè)管腳相接，作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (Real Time Clock,RTC)振蕩源 [11]。 13 圖 28 振蕩電路 圖 29 DIMM 144 引腳說明 14 (4) 與外設(shè)板接口部分 核心板與外設(shè)板是通過 144 針的插槽相接的，主要把核心板電路中的 16根存儲(chǔ)數(shù)據(jù)線DM0DM1 24 根存儲(chǔ)地址線 MA0MA2 8 根外部中斷引線 EINT0EINT兩路 UART 數(shù)據(jù)線與控制線、 通用接口 GPIO、 IIC、 SPI 以及其它的讀寫信號(hào)、控制線等引出供外設(shè)板調(diào)用。詳細(xì)請參見圖 29。 這里只使用到了 144 針的插槽接口，而沒有使用 168 線的內(nèi)存條接口插槽或者 PCI 插槽，是由于 168線需要用到金手指，走線很密，而且工藝要求高，兩層板布線很難實(shí)現(xiàn)，可能需要 4層板才能完成，對于學(xué)校項(xiàng)目設(shè)計(jì)來說難度很大，而這樣增加難度是沒有必要的，因?yàn)?144 針的接線已經(jīng)基本能夠滿足實(shí)際需要，通過以上的接口可以連接通常使用的器件，如本項(xiàng)目需要使用到的 LCD 和觸摸屏等。 外設(shè)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中需要使用到的外 設(shè)有 LCD 顯示屏和觸摸屏，并且作為一個(gè)應(yīng)用平臺(tái)，外設(shè)電路不再包括有調(diào)試用的 COM 接口和網(wǎng)絡(luò)接口。因?yàn)檐浖恼{(diào)試可以先在